DE19960618A1 - Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine sowie Brennkraftmaschine hierzu - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einer Einrichtung zur Abgasrückführung wird in einem ersten Schritt der Luftmassenstrom an einen Sollwert angeglichen, in einem zweiten Schritt das Druckverhältnis von Abgasgegendruck zu Ladedruck an einen Sollwert angeglichen und in einem dritten Schritt eine erneute Überprüfung des Luftmassenstromes durchgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brenn­ kraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine hierzu nach dem O­ berbegriff des Anspruches 1 bzw. 9.

Aus der Druckschrift DE 197 34 494 C1 ist eine Brennkraftma­ schine mit einem Abgasturbolader mit variabler Turbinengeomet­ rie bekannt. Durch Verstellung eines der variablen Turbinengeo­ metrie zugeordneten Turbinenleitgitters kann der wirksame Tur­ bineneintrittsquerschnitt verändert werden, wodurch der Abgas­ gegendruck und somit auch die Leistungsaufnahme der Turbine so­ wie die Verdichterleistung des Verdichters einstellbar sind. Die Brennkraftmaschine weist darüber hinaus eine Einrichtung zur Abgasrückführung auf, bestehend aus einer Rückführleitung zwischen dem Abgasstrang und dem Ansaugtrakt zwischen Abgastur­ bolader und Brennkraftmaschine, wobei in der Rückführleitung ein über eine Reglereinheit in Abhängigkeit von Betriebspunkten der Brennkraftmaschine einstellbares Abgasrückführungsventil angeordnet ist. In Abhängigkeit von Drehzahl, Betriebslast usw. werden in der Reglereinheit das Abgasrückführungsventil beauf­ schlagende Stellsignale in der Weise erzeugt, dass der rückge­ führte Abgasmassenstrom eine Verbesserung des Abgasverhaltens der Brennkraftmaschine zur Folge hat. Für eine präzise Bestim­ mung des rückgeführten Ist-Abgasmassenstromes wird zusätzlich der Sauerstoffgehalt unmittelbar am Zylindereingang und am Zy­ linderausgang der Brennkraftmaschine berücksichtigt.

Eine weitere Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung zur Ab­ gasrückführung ist aus der DE 44 29 232 C1 bekannt. Die Vor­ richtung zur Abgasrückführung umfasst eine Ejektordüse, die in die Ladeluftleitung stromab des Verdichters integriert ist und in die die Abgas-Rückführleitung einmündet. Die Ejektordüse ist variabel ausgebildet, mittels eines verschieblichen Düsenteils in der Düse können sowohl der Querschnitt des die Ladeluft füh­ renden Düsenkanals als auch des Abgas-Einlasskanals verändert werden. In einer Regeleinheit werden das einstellbare Düsenteil beaufschlagende Stellsignale in Abhängigkeit vom Betriebszu­ stand der Brennkraftmaschine sowie der Betriebskennlinie des Abgasturboladers erzeugt. Der Düsenkanal, durch den die Lade­ luft der Brennkraftmaschine zuführbar ist, weist einen sich in Strömungsrichtung verjüngenden Querschnitt auf, welcher durch die Verstellung des beweglichen Düsenteils variiert werden kann. In Abhängigkeit der Position des verstellbaren Düsenteils wird eine unterschiedlich große Steigerung der Strömungsge­ schwindigkeit der durchströmenden Ladeluft erzielt. Damit ein­ hergehend wird eine Absenkung des statischen Drucks stromab des engsten Düsenquerschnitts erreicht, wodurch die Rückströmung des Abgasmassenstromes durch die Einrichtung in Richtung zur Abgasrückführung unterstützt wird.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, den Schadstoffausstoß in aufgeladenen Brennkraftmaschinen mit Abgasrückführung zu senken. Insbesondere bei einem Einsatz von Abgasturboladern mit variabler Turbinengeometrie soll eine Möglichkeit aufgezeigt werden, wie im befeuerten Antrieb die Funktionen von Abgastur­ bolader und Abgasrückführung in optimaler Weise aufeinander ab­ zustimmen sind.

Dieses Problem wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprü­ che gelöst. Die abhängigen Ansprüche geben bevorzugte Weiter­ bildungen an.

Gemäß dem neuartigen Verfahren zum Betrieb einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung sind sowohl der rückge­ führte Abgasmassenstrom als auch der durch die Turbine des Ab­ gasturboladers geführte Abgasmassenstrom separat einzustellen. In zwei aufeinanderfolgenden Schritten wird zunächst der Luft­ massenstrom gemessen und durch Variation des durch den Abgas­ turbolader geführten Abgasmassenstromes an einen Sollwert ange­ glichen. Nachdem der Ist-Luftmassenstrom mit einer vorgegebenen Toleranz an den Soll-Luftmassenstrom angenähert worden ist, wird im darauf folgenden Verfahrensschritt der rückgeführte Ab­ gasmassenstrom in der Weise eingestellt, dass das Druckverhält­ nis von Abgasgegendruck zu Ladedruck an einen Sollwert angegli­ chen wird. Nach der Durchführung des zweiten Schrittes wird in einem dritten Schritt erneut überprüft, ob der Ist- Luftmassenstrom nach wie vor mit hinreichender Genauigkeit dem zugeordneten Sollwert entspricht. Falls dies nicht der Fall ist, wird das gesamte Verfahren, beginnend beim ersten Schritt, erneut durchlaufen.

Mittels des dritten Schritts wird eine Rekursion des Verfahrens erreicht, wodurch sicher gestellt ist, dass Änderungen im Luft­ massenstrom, die auf eine Änderung des Abgasgegendruckes oder des Ladedruckes zurückzuführen sind, durch das nochmalige Durchlaufen des Verfahrensablaufes kompensiert werden, so dass der tatsächliche Luftmassenstrom auf den Sollwert eingestellt wird. Die dabei erfolgende Änderung des Abgasmassenstromes durch die Turbine und die daraus eventuell resultierende Ände­ rung des Verhältnisses von Abgasgegendruck zu Ladedruck kann im anschließenden zweiten Durchlauf des zweiten Verfahrensschritts kompensiert werden.

Bei dem rekursiven Verfahren werden die Massenströme für die Verbrennungsluft und das Abgas iterativ auf die vorgegebenen Sollwerte eingestellt. Es werden sowohl die Einstellmöglichkei­ ten eines Stellelements im Bereich der Abgasrückführung als auch eines Stellelements im Bereich der Abgasturbine ausge­ nutzt.

Die neuartige Brennkraftmaschine, welche sich in besonderer Weise zur Durchführung des neuartigen Verfahrens eignet, ist mit einem Abgasturbolader und einer Einrichtung zur Abgasrück­ führung versehen, wobei der rückgeführte Abgasmassenstrom mit Hilfe einer variabel einstellbaren Ejektordüse im Ansaugtrakt einzustellen ist. Die variable Ejektordüse weist einen Düsenka­ nal für die Zuleitung von Verbrennungsluft auf, einen den engs­ ten Düsenquerschnitt im Düsenkanal überbrückenden Bypass, sowie einen Abgas-Einlasskanal für die Einleitung des rückgeführten Abgases auf. Ein Stellelement der Ejektordüse, welches von Sig­ nalen einer Regel- und Steuereinheit beaufschlagt wird, stellt die Querschnitte des Abgas-Einlasskanals, des Düsenkanals, so­ wie des Bypass je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine auf ein gewünschtes Maß ein. Insbesondere werden sämtliche Querschnitte in der Ejektordüse mit nur einem einzigen Stell­ element eingestellt, wobei das gemeinsame Stellelement bevor­ zugt in der Weise ausgebildet ist, dass bei einer Bewegung des Stellelements in unterschiedliche, insbesondere in entgegenge­ setzte Stellrichtungen die Querschnitte von Abgas-Einlasskanal und Düsenkanal eingestellt werden können.

Diese Ausführung der Ejektordüse ermöglicht es, dass in beson­ ders einfacher und schnell aufzuführender Weise durch eine ent­ sprechende Positionierung des Stellelements sowohl der den Dü­ senkanal durchströmende Luftmassenstrom als auch der über die Abgasrückführung geleitete Abgasmassenstrom eingestellt werden kann, was eine Veränderung sowohl des Abgasgegendrucks als auch des Ladedrucks und mithin des Verhältnisses von Abgasgegendruck zu Ladedruck zur Folge hat. Die Brennkraftmaschine, in der die vorbeschriebene Ejektordüse eingesetzt wird, kann besonders vorteilhaft gemäß dem Verfahren zur Regelung des Luftmassenstromes und zur Regelung des rückgeführten Abgasmassenstromes betrieben werden.

Darüber hinaus kann es aber auch zweckmäßig sein, die Ejektor­ düse unabhängig von der vorbeschriebenen Verfahrens- oder Ver­ wendungsweise in Brennkraftmaschinen einzusetzen, welche sich hinsichtlich ihres Aufbaus von der vorbeschriebenen Brennkraft­ maschine unterscheiden.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist das Stellelement der E­ jektordüse bzw. die Aufnahme für das Stellelement in der Weise ausgebildet, dass in zumindest einer Position des Stellelements sowohl der Abgas-Einlasskanal als auch der Bypass zum Düsenka­ nal verschlossen sind, wobei es vorteilhaft sein kann, diese Position zu einem Verstell-Toleranzbereich auszudehnen. Bei ei­ ner simultanen Verschließung von Abgas-Einlasskanal und Bypass ist lediglich der Düsenkanal freigegeben. In dieser Ausführung wird aufgrund der Querschnittsverengung im Düsenkanal eine er­ höhte Strömungsgeschwindigkeit mit gleichzeitiger Druckabsen­ kung erreicht.

Bei einer Öffnung des Bypasses wird der insgesamt für die Strö­ mung der Ansaugluft zur Verfügung stehende Querschnitt vergrö­ ßert, mit der Folge, dass über den Verlauf der Ejektordüse kei­ ne bzw. nur eine geringe Druckabsenkung der Ladeluft erfolgt.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung sowie den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraft­ maschine mit Abgasturbolader mit variabler Tur­ binengeometrie und einer Einrichtung zur Abgas­ rückführung,

Fig. 2 ein Verfahrensdiagramm mit den grundlegenden Ab­ laufschritten für die Regelung einer aufgelade­ nen Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung,

Fig. 3a-3c jeweils einen Schnitt durch eine Ejektordüse mit dem Düsenstellglied in verschiedenen Stellposi­ tionen,

Fig. 4 eine Ejektordüse in einer weiteren Ausführung,

Fig. 5 ein Schaubild mit den Querschnittsverläufen des Düsenkanals, des Bypass und des Abgas- Einlasskanals in Abhängigkeit der Position des Düsenstellelements.

Der in Fig. 1 dargestellten Brennkraftmaschine 1 sind eine Mehrzahl von Aggregaten zugeordnet, insbesondere ein Abgastur­ bolader 2, eine Einrichtung 8 zur Abgasrückführung, eine Durch­ fluss-Reguliereinrichtung 9 zur Einstellung der der Brennkraft­ maschine zuzuführenden Ladeluft und des rückgeführten Abgasmas­ senstromes sowie eine Regel- und Steuereinheit 11, über die die diversen Aggregate der Brennkraftmaschine zu steuern bzw. zu regeln sind. Der Abgasturbolader 2 umfasst eine Abgasturbine 3, die mit variabler Turbinengeometrie 7 zur variablen Einstellung des wirksamen Turbinenquerschnitts ausgestattet ist, und einen Verdichter 4 zur Komprimierung angesaugter Verbrennungsluft. Die im Abgasstrang 5 angeordnete Abgasturbine 3 wird von den unter dem Abgasgegendruck p₃ stehenden Abgasen angetrieben, wo­ bei die Rotationsenergie des Laders im Verdichter 4, welcher im Ansaugtrakt 6 angeordnet ist, zur Verdichtung der mit Umge­ bungsdruck p₁ angesaugten Verbrennungsluft auf einen erhöhten Ladedruck p₂ herangezogen wird. Stromab des Verdichters 4 ist im Ansaugtrakt 6 ein Ladeluftkühler 12 zur Kühlung der verdich­ teten Verbrennungsluft vorgesehen. Die im Ladeluftkühler 12 ge­ kühlte Verbrennungsluft tritt mit dem Ladedruck P_2S in die als Ejektordüse 10 ausgebildete Durchfluss-Reguliereinrichtung 9 ein, welche mit der Einrichtung 8 zur Abgasrückführung kommuni­ ziert. Über die Abgasrückführungs-Einrichtung 8, die eine Rückführungsleitung 13 mit einem darin angeordneten Abgaskühler 14 umfasst, wird Abgas aus dem Abgasstrang 5 mit dem stromab des Abgaskühlers 14 herrschenden Abgasgegendruck p_3' der Durch­ fluss-Reguliereinrichtung 9 zugeführt, wobei die Durchfluss- Reguliereinrichtung 9 in der Weise ausgebildet ist, dass der rückgeführte Abgasmassenstrom variabel eingestellt werden kann. Stromab der Durchfluss-Reguliereinrichtung 9 wird die Ladeluft, gegebenenfalls unter Beimischung von Abgas, mit dem Ladedruck p_2S' der Brennkraftmaschine zugeführt.

Auf der Abgasseite der Brennkraftmaschine wird das Abgas nach dem Durchströmen der Abgasturbine 3 mit dem Restdruck p₄ aus dem Abgasstrang 5 ausgeleitet.

Die variable Turbinengeometrie 7 der Abgasturbine 3 umfasst zweckmäßig ein Turbinenleitgitter, welches entweder axial ver­ schieblich in den Turbineneintrittsquerschnitt zu verschieben ist oder drehbare Leitschaufeln umfasst, wobei durch Drehung der Leitschaufeln der wirksame Turbineneintrittsquerschnitt va­ riiert werden kann. Darüber hinaus kommen aber auch anderweiti­ ge Varioturbinentypen in Frage, beispielsweise Klappenturbinen, welche eine zum Turbinenrad weisende Flut aufweisen, die über eine Klappe abgesperrt werden kann, oder zweiflutige, asymmet­ risch aufgebaute Varioturbinen, deren beide Fluten über eine Klappe angesteuert werden können.

Gegebenenfalls ist zusätzlich oder alternativ zur variablen Turbinengeometrie eine Abblaseeinrichtung 15 mit einem Abblase­ ventil 17 in einer die Turbine 3 überbrückenden Umgehungslei­ tung 16 vorgesehen.

Sämtliche einstellbaren Aggregate der Brennkraftmaschine - die variable Turbinengeometrie 7 der Abgasturbine 3, das Abblase­ ventil 17 sowie die Durchfluss-Reguliereinrichtung 9 - werden in Abhängigkeit von Zustandsgrößen der Brennkraftmaschine über die Regel- und Steuereinheit 11 eingestellt.

Die variable Turbinengeometrie und auch die Abblaseeinrichtung 15 können sowohl in der befeuerten Antriebsbetriebsweise als auch im Motorbremsbetrieb eingesetzt werden. Zur Erzeugung von Motorbremsleistung wird die variable Turbinengeometrie in Stau­ stellung mit reduziertem Querschnitt überführt bzw. die Abbla­ seeinrichtung geschlossen, woraufhin sich ein erhöhter Abgasge­ gendruck p₃ aufbaut. Durch Öffnung von Bremsventilen bzw. Aus­ lassventilen der Brennkraftmaschine wird im Motorbremsbetrieb die in den Zylindern verdichtete Luft gegen den hohen Abgasge­ gendruck p₃ in den Abgasstrang 5 ausgeschoben. Die Motorbrems­ leistung kann durch Einstellung der variablen Turbinengeometrie bzw. der Abblaseeinrichtung variiert werden.

In Fig. 2 ist ein Ablaufdiagramm dargestellt, gemäß dem die Brennkraftmaschine bevorzugt betrieben wird. In diskreten Zeit­ schritten werden gemäß dem Verfahrensblock 101 Motor- Betriebspunkte festgelegt, in welchen Zustandsgrößen der Brenn­ kraftmaschine und gegebenenfalls auch der der Brennkraftmaschi­ ne zuzuordnenden Aggregate der Regel- und Steuereinheit zuge­ führt werden. In der Regel- und Steuereinheit werden aus den Zustandsgrößen, gegebenenfalls auch aus abgespeicherten Parame­ tern, Sollgrößen ermittelt, die in der Regelung mit gemessenen oder berechneten Istgrößen verglichen werden.

Die folgenden Verfahrensblöcke 102 bis 106 repräsentieren einen ersten Regelungsschritt, in welchem der tatsächliche Luftmas­ senstrom der Ansaugluft auf einen gegebenen bzw. ermittelten Sollwert angepasst wird. Gemäß dem Verfahrensblock 102 wird zu­ nächst der Luftmassenstrom im Punkt 1 der Ansaugluft im Ansaug­ trakt gemessen, insbesondere der Luftmassenstrom nach der Ver­ dichtung im Verdichter des Abgasturboladers. Im folgenden Ver­ fahrensblock 103 wird eine Abfrage durchgeführt, ob der Ist- Luftmassenstrom im Punkt 1 den dem aktuellen Motor- Betriebspunkt zugeordneten Sollwert _l,soll übersteigt. Sofern dies der Fall ist, wird der Ja-Verzweigung entsprechend zum Verfahrensblock 104 fortgefahren, gemäß dem die variable Turbi­ nengeometrie VTG zur Erweiterung des wirksamen Turbinenein­ trittsquerschnitts weiter geöffnet wird, was zur Folge hat, dass der Abgasgegendruck absinkt, so dass eine geringere Lader­ leistung erzeugt wird. Die geringere Laderleistung äußert sich darin, dass ein geringerer Ladedruck im Ansaugtrakt generiert wird, dementsprechend wird auch ein kleinerer Luftmassenstrom der Brennkraftmaschine zugeführt.

Sofern die Abfrage 103 ergibt, dass der tatsächliche, gemessene Luftmassenstrom _l nicht größer ist als der zugeordnete Soll­ wert _l,soll, wird der Nein-Verzweigung entsprechend zum Verfah­ rensblock 105 fortgefahren und die variable Turbinengeometrie VTG der Abgasturbine in Richtung ihrer Schließstellung ver­ stellt. Daraufhin wird der wirksame Turbineneintrittsquer­ schnitt reduziert, der Abgasgegendruck steigt an und demzufolge auch die Laderleistung, mit der Folge, dass ein höherer Lade­ druck erzeugt wird. Der höhere Ladedruck hat einen höheren Luftmassenstrom in den Zylindereinlass der Brennkraftmaschine zur Folge.

Nach dem Öffnungs- bzw. Schließvorgang der variablen Turbinen­ geometrie in den Verfahrensblöcken 104 bzw. 105 wird zur Abfra­ ge gemäß Verfahrensblock 106 fortgefahren, in der überprüft wird, ob der über die variable Turbinengeometrie manipulierte, tatsächliche Luftmassenstrom _l mit hinreichender Genauigkeit an den entsprechenden Sollwert _l,soll angenähert ist. Unter­ schreitet der Betrag der Differenz von Ist- und Sollwert eine Toleranzgrenze Tol, ist der Luftmassenstrom mit ausreichender Genauigkeit auf den Sollwert eingeregelt worden und es wird der Ja-Verzweigung entsprechend zum folgenden Verfahrensblock 107 fortgefahren. Andernfalls wird der Nein-Verzweigung entspre­ chend zum Verfahrensblock 102 zurückgekehrt, es wird der gesam­ te erste Regelungsschritt erneut durchlaufen.

Die Verfahrensblöcke 107 bis 111 repräsentieren den zweiten Re­ gelungsschritt, in welchem der über die Abgasrückführungs- Einrichtung vom Abgasstrang in den Ansaugtrakt rückgeführte Ab­ gasmassenstrom eingestellt wird. Gemäß dem Verfahrensblock 107 werden zunächst die erforderlichen Meßgrößen ermittelt, im Aus­ führungsbeispiel der Ladedruck p_2S' stromab der Durchfluss- Reguliereinrichtung sowie der Abgasgegendruck p_3' in der Abgas­ rückführungs-Einrichtung stromab des Abgaskühlers. Im nächsten Verfahrensblock 108 erfolgt die Abfrage, ob das Druckverhältnis p_3'/p_2S' von Abgasgegendruck p_3' zu Ladedruck p_2S' einen zugeord­ neten Sollwert (p_3'/p_2S')soll übersteigt. Ist dies der Fall, wird der Ja-Verzweigung entsprechend zum Verfahrensblock 109 fortge­ fahren, gemäß dem in der vorteilhaft als Ejektordüse ausgebil­ deten Durchfluss-Reguliereinrichtung der Abgasrückführungs- Querschnitt verringert wird, so dass ein geringerer Abgasmas­ senstrom in den Ansaugtrakt rückgeführt wird. Dadurch wird auch das Druckverhältnis p_3'/p_2S von Abgasgegendruck zu Ladedruck, welches einen Maßstab für den rückgeführten Abgasmassenstrom darstellt, reduziert.

Sofern die Abfrage im Verfahrensblock 108 ergibt, dass das tat­ sächliche Druckverhältnis nicht größer ist als der entsprechen­ de Sollwert, wird der Nein-Verzweigung entsprechend zum Verfah­ rensblock 110 fortgefahren und in der Durchfluss- Reguliereinrichtung der Abgasrückführungs-Querschnitt vergrö­ ßert. Die Querschnittsvergrößerung hat zur Folge, dass ein grö­ ßerer Anteil an Abgasmassenstrom in den Ansaugtrakt geleitet wird, woraufhin das tatsächliche Druckverhältnis fällt.

Nach der Querschnittsverringerung bzw. Querschnittsvergrößerung gemäß den Verfahrensblöcken 109 bzw. 110 wird im nächstfolgen­ den Verfahrensblock 111 abgefragt, ob das tatsächliche Druck­ verhältnis mit ausreichender Genauigkeit an den vorgegebenen Sollwert angenähert worden ist. Unterschreitet der Betrag der Differenz von tatsächlichem Druckverhältnis und zugeordnetem Sollwert eine Toleranzgrenze Tol, ist der zweite Regelungs­ schritt gemäß den Verfahrensblöcken 107 bis 111 beendet, es wird gemäß der Ja-Verzweigung zum Verfahrensblock 112 fortge­ fahren. Falls die geforderte Toleranzgrenze nicht unterschrit­ ten wird, wird der Nein-Verzweigung entsprechend zum Verfah­ rensblock 107 zurückgekehrt, es wird der gesamte zweite Rege­ lungsschritt erneut durchlaufen.

Im zweiten Regelungsschritt kann zur Bestimmung des Druckver­ hältnisses von Abgasgegendruck zu Ladedruck sowohl der Abgasge­ gendruck stromauf als auch stromab des Abgaskühlers in der Ab­ gasrückführungs-Einrichtung herangezogen werden. Ebenso ist es möglich, den Ladedruck im Ansaugtrakt stromauf des Ladeluftküh­ lers, stromab des Ladeluftkühlers, jedoch stromauf der Durch­ fluss-Reguliereinrichtung oder aber stromab der Durchfluss- Reguliereinrichtung heranzuziehen. Darüber hinaus ist es auch möglich, an Stelle der direkten Bestimmung des Druckverhältnis­ ses von Abgasgegendruck zu Ladedruck eine mit dem Druckverhält­ nis korrespondierende Größe zu ermitteln, beispielsweise die Querschnittsgeometrie im Bereich der Abgaszufuhr bzw. der Luft­ durchströmung in der als Ejektordüse ausgeführten Durchfluss- Reguliereinrichtung. Die Querschnittsgeometrien werden hierbei als Maßstab für die zugeordneten Drücke herangezogen; dement­ sprechend kann das Druckverhältnis von Abgasgegendruck zu Lade­ druck auch durch ein korrelierendes Verhältnis der Quer­ schnittsgeometrien ausgedrückt werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, die Position des Stellelements in der Durchfluss- Reguliereinrichtung als Maßstab für die offenen Querschnittsgeometrien und somit auch als Maßstab für die zugeordneten Drücke zu berücksichtigen.

Die Verfahrensblöcke 112 und 113 repräsentieren einen dritten Regelungsschritt, in welchem erneut überprüft wird, ob der tat­ sächliche Luftmassenstrom _l mit ausreichender Genauigkeit an den zugeordneten Sollwert angenähert worden ist. Diese Abfrage wird durchgeführt, um sicherzustellen, dass die Verhältnisse in der Brennkraftmaschine nach der Anpassung des rückgeführten Ab­ gasmassenstromes im zweiten Regelungsschritt gemäß den Verfah­ rensblöcken 107 bis 111 sich nicht so weit verändert haben, dass der tatsächliche Luftmassenstrom der Ansaugluft sich in unzulässiger Weise vom im ersten Regelungsschritt gemäß den Verfahrensblöcken 102 bis 106 ermittelten Sollwert entfernt hat. Die Variation des rückgeführten Abgasmassenstromes im zweiten Regelungsschritt hat einen Einfluß auf die Druckver­ hältnisse, insbesondere auf den Abgasgegendruck und den Lade­ druck, was zu einem geänderten Ist-Luftmassenstrom der Ansaug­ luft führen kann.

Führt nach der Messung des Luftmassenstromes im Verfahrensblock 112 die Genauigkeitsabfrage im Verfahrenblock 113 hinsichtlich des Luftmassenstromes _l zu dem Ergebnis, dass der tatsächli­ che Luftmassenstrom sich in unzulässiger Weise von dem vorgege­ benen Sollwert entfernt hat, wird gemäß der Nein-Verzweigung zum ersten Regelungsschritt, insbesondere zur Abfrage gemäß Verfahrensblock 103, zurückgekehrt. In diesem Fall wird das ge­ samte Verfahren erneut durchlaufen. Führt die Abfrage im Ver­ fahrensblock 113 dagegen zu dem Ergebnis, dass der Luftmassen­ strom nach wie vor mit ausreichender Genauigkeit an den gegebe­ nen Sollwert angenähert ist, ist die Regelung für diesen Zyklus beendet, es wird der Ja-Verzweigung entsprechend zum ersten Verfahrensblock 101 zurückgekehrt und in einem neuen Zyklus unter Berücksichtigung geänderter Motor-Betriebspunkte das gesam­ te Verfahren erneut durchlaufen.

Innerhalb der Iterationsphasen wird sich üblicherweise häufig der Betriebspunkt ändern. Dies wird über die Änderungen der Sollwerte des Luftdurchsatzes und des zuzumischenden Abgases jederzeit im Iterationsablauf zu berücksichtigen sein.

Alternativ zur Messung des Luftmassenstromes der Ansaugluft im ersten Regelungsschritt, welche mittels eines Luftmassenmessers durchgeführt wird, kann auch eine mit dem Luftmassenstrom kor­ relierende Größe gemessen und der Regelung im ersten Regelungs­ schritt zu Grunde gelegt werden. Es können beispielsweise auch der Ladedruck oder die Ladelufttemperatur gemessen und der Ein­ stellung der variablen Turbinengeometrie zu Grunde gelegt wer­ den.

Alternativ oder zusätzlich zur Querschnittseinstellung über die variable Turbinengeometrie kann auch eine andere Einrichtung zur Manipulierung des Abgasmassenstromes im Abgasstrang heran­ gezogen werden, insbesondere eine Abblaseeinrichtung, über die das Abgas unmittelbar in die Atmosphäre abgeleitet werden kann.

Die Fig. 3a bis 3c zeigen eine als Ejektordüse ausgebildete Durchfluss-Reguliereinrichtung, deren Stellelement zur Einstel­ lung der Querschnitte des Abgas-Einlasskanals, des Düsenkanals und des Bypass in drei verschiedenen Positionen dargestellt ist.

Die Ejektordüse 10 weist ein etwa ringförmiges Gehäuse 18 auf, welche einen zentralen Düsenkanal 19 einschließt, der in Pfeil­ richtung 25 von Verbrennungsluft durchströmt wird. In den Dü­ senkanal 19 ist ein Leitkörper 20 eingebracht, welcher eine strömungsgünstig konturierte Form aufweist und den Strömungsquerschnitt im Düsenkanal 19 auf ein Minimum reduziert. Im wei­ teren Verlauf erweitert sich der Strömungsquerschnitt des Dü­ senkanals 19 zu einem Diffusor, wodurch im Düsenkanal 19 ein Venturi-ähnlicher Effekt erzielt wird, bei dem im Bereich des engsten Strömungsquerschnittes eine höhere Strömungsgeschwin­ digkeit erzielt wird und zugleich stromab des Leitkörpers 20 der stationäre Druck abgesenkt wird.

In das Gehäuse 18 ist ein ringförmiger Bypass 22 eingebracht, der den Düsenkanal 19 ringförmig umschließt. Der Bypass über­ brückt den Bereich des engsten Strömungsquerschnittes im Düsen­ kanal 19; der Bypass zweigt unmittelbar stromauf des engsten Strömungsquerschnittes vom Düsenkanal 19 ab.

Die Ejektordüse 10 weist weiterhin einen Anschlussstutzen 23 für den Anschluss einer Abgas-Rückführungsleitung einer Abgas- Rückführungseinrichtung auf. Der Anschlussstutzen 23 erstreckt sich radial zur Längsachse 26 der Ejektordüse 10. Der An­ schlussstutzen 23 mündet in einen Abgas-Einlasskanal 24, wel­ cher in einer Offenstellung des Stellelements 21 der Ejektordü­ se 10 mit dem Düsenkanal 19 kommuniziert. Der Abgas- Einlasskanal 24 mündet im Bereich des engsten Querschnittes des Düsenkanals 19 in diesen ein.

Das Stellelement 21 der Ejektordüse 10 ist als axial in Rich­ tung der Längsachse 26 verschiebbare Stellhülse ausgeführt, welche in den Düsenkanal 19 eingebracht ist und auf seiner ra­ dial innen liegenden Seite strömungsgünstig geformt ist, insbe­ sondere in Längsrichtung einen querschnittsverjüngenden Verlauf aufweist. Das Stellelement 21 nimmt in Fig. 3a eine axiale Mit­ telstellung ein, aus der heraus eine Verschiebung in beide axi­ ale Richtungen möglich ist. In der Mittelstellung gemäß Fig. 3a verschließt das Stellelement 21 sowohl die Abzweigung des By­ pass 22 vom Düsenkanal 19 als auch die weiter stromab gelegene Mündungsöffnung des Abgas-Einlasskanals 24 in den Düsenkanal 19, so dass in der Mittelstellung des Stellelementes 21 kein Abgas über den Anschlussstutzen 23 und den Abgas-Einlasskanal 24 in den Düsenkanal 19 einströmen kann und außerdem keine Verbrennungsluft aus dem Düsenkanal 19 in den Bypass 22 gelei­ tet werden kann. In der Mittelstellung gemäß Fig. 3a hat die E­ jektordüse 10 die Wirkung einer Venturidüse. Die Verstellung des Stellelements 21 erfolgt entsprechend den in einer Regel- und Steuereinheit erzeugten Stellsignalen in Abhängigkeit von aktuellen Zustandsgrößen und Parametern der Brennkraftmaschine.

In Fig. 3b ist das Stellelement 21 axial in Strömungsrichtung gemäß Pfeilrichtung 25 verschoben, wodurch die Abzweigung zum Bypass 22 freigegeben ist. Dementsprechend wird ein Teilstrom der den Düsenkanal 19 durchströmenden Verbrennungsluft in den ringförmig umgreifenden Bypass 22 führt und in Pfeilrichtung 27 parallel zum Düsenkanal 19 durch die Ejektordüse 10 geführt. In der ersten Offenstellung gemäß Fig. 3b wird lediglich die Ab­ zweigung zum Bypass 22 geöffnet, zugleich bleibt die Mündung des Abgas-Einlasskanals 24 in den Düsenkanal 19 vom Stellele­ ment 21 verschlossen. Die Verschiebung des Stellelements 21 hat eine Querschnittserweiterung im Düsenkanal 19 zur Folge, da zum einen ein zusätzlicher Querschnitt im Bereich der Abzweigung des Bypass 22 freigegeben ist und zum anderen der sich verjün­ gende Abschnitt des Stellelements 21 in eine Aufnahme des Ab­ gas-Einlasskanals 24 eingeschoben ist und nunmehr ein Abschnitt des Stellelements 21 mit größerem Innendurchmesser den Leitkör­ per 20 radial umgreift. Diese erste Offenstellung des Stellele­ ments 21, in der die Zufuhr von Abgas unterbunden ist, eignet sich insbesondere für transiente Zustände der Brennkraftmaschi­ ne, in denen ein hoher Sauerstoffanteil für eine erhöhte Leis­ tungserzeugung im Motor benötigt wird. Die großen Strömungs­ querschnitte sorgen für die gewünschten niederen Strömungsver­ luste.

In Fig. 3c ist das Stellelement 21 in seiner zweiten Offenstel­ lung dargestellt, in der die Abzweigung des Bypass 22 ver­ schlossen, zugleich aber die Mündung des Abgas-Einlasskanals 24 in den Düsenkanal 19 geöffnet ist, so dass Abgas, welches über die Abgasrückführungs-Einrichtung in den Anschlussstutzen 23 und weiter in den Abgas-Einlasskanal 24 geleitet wird, gemäß Pfeilrichtung 28 im Bereich des engsten Strömungsquerschnittes in den Düsenkanal 19 einströmen kann. Da stromab des engsten Querschnittes im Düsenkanal 19 auf Grund des Venturi-Effekts ein reduzierter Druck herrscht, wird die Einströmung von Abgas über die Abgasrückführung unterstützt. Das Einsatzspektrum der Abgasrückführung wird erweitert, da nunmehr über größere Be­ triebsbereiche der Brennkraftmaschine ein Druckgefälle zwischen Abgasstrang und Ansaugtrakt für die Rückführung von Abgas aus­ genutzt werden kann.

Die Abgasrückführmenge wird dem Luftstrom unter einem Drall zu­ geführt, wodurch eine günstige Durchmischung von Luft und Abgas entsteht. Zum andern weitet sich Drallströmung auf die folgende Diffusorströmung bezüglich einer verringerten Ablöseneigung der Strömung aus. Generell kann durch die Drallauslegung des Abga­ ses die Baulänge des Diffusors reduziert werden, was unter den Platzverhältnissen einen großen Vorteil erbringen kann.

In einer bevorzugten Ausführung beträgt das Querschnittsver­ hältnis von Abgas-Einlasskanal 24 zum Düsenkanal 19 maximal zehn, das Querschnittsverhältnis von Bypass 22 zum Düsenkanal 19 dagegen vorteilhaft maximal fünf.

Fig. 4 zeigt eine Ejektordüse 10 in einer modifizierten Ausfüh­ rung, wobei gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 3a bis 3c versehen sind. Die axiale Verstellung des Stell­ elements 21 im Düssenkanal 19 erfolgt mittels eines Drehringes 29, welcher auf der Außenseite des Gehäuses 18 koaxial zur Längsachse 26 angeordnet ist. Der Drehring 29 weist auf seiner radial innen liegenden Seite eine helixförmig gewundene Nut auf, in die ein fest mit dem Stellelement 21 verbundener Über­ tragungsstift 30 einragt. Zweckmäßig sind auf gegenüberliegen­ den Seiten zumindest zwei Übertragungsstifte vorgesehen, die in entsprechende Nuten des Drehringes eingreifen, um eine gleich­ mäßige Kraftverteilung zu erreichen. Bei einer Drehung des Drehringes 29 bewegen sich die Übertragungsstifte 30 entlang der Nut auf der radial innen liegenden Seite des Drehringes; auf Grund der Helixstruktur der Nut weist diese eine in Achs­ richtung weisende Komponente auf, so dass der Übertragungsstift 30 und mithin auch das Stellelement 21 zusätzlich zu einer Drehbewegung auch eine axiale Verschiebung erfahren, über die das Stellelement 21 zwischen seinen Offen- und Schließpositio­ nen zu verstellen ist.

Fig. 5 zeigt ein Diagramm mit den Querschnittsflächen A des Dü­ senkanals, des Abgas-Einlasskanals sowie des Bypass in Abhän­ gigkeit von der axialen Position x_D des Stellelements. Das Stellelement kann, wie auch in Fig. 3a dargestellt, axial in beide Richtungen verstellt werden, wobei die Mittelstellung des Stellelements mit x_D = 0 bezeichnet wird und eine Auslenkung entgegen der Strömungsrichtung der Verbrennungsluft mit positi­ vem Vorzeichen, eine Auslenkung in Richtung der Strömung der Verbrennungsluft dagegen mit negativem Vorzeichen bezeichnet wird. In der in Fig. 3a gezeigten Mittelstellung des Stellele­ ments ist die Verschiebung x_D des Stellelements gleich Null; sowohl der Mündungsquerschnitt A_AGR im Mündungsbereich des Ab­ gas-Einlasskanals in den Düsenkanal als auch der Abzweigungs­ querschnitt A_Bypass im Bereich der Abzweigung des Bypass vom Dü­ senkanal sind gleich Null. Der Düsenquerschnitt befindet sich auf einem mittleren Niveau zwischen minimalem und maximal mög­ lichem Düsenquerschnitt.

Bei einer axialen Verschiebung des Stellelements in negative Richtung - in Richtung der Strömung der Verbrennungsluft - nimmt das Stellelement die in Fig. 3b gezeigte erste Offenstel­ lung ein, in der der Abgas-Einlasskanal nach wie vor verschlos­ sen ist, der Bypass jedoch geöffnet ist. Dem Schaubild nach Fig. 5 ist zu entnehmen, dass bei einer Verschiebung des Stell­ elements in negativer Richtung der Abzweigungsquerschnitt A_Bypass des Bypass stark ansteigt, der Mündungsquerschnitt des Abgas- Einlasskanals dagegen im gesamten negativen Verstellbereich des Stellelementes verschlossen bleibt. Zugleich steigt mit zuneh­ mender Verstellung des Stellelements in negativer Richtung der Düsenquerschnitt A_Düse bis auf ein Maximum A_Düse,mx an, welches in der axialen Endposition des Stellelements erreicht wird.

Bei einer Verstellung in positiver Richtung nimmt der Mündungs­ querschnitt A_AGR des Abgas-Einlasskanals kontinuierlich bis auf ein Maximum zu, welches in der axialen, positiven Endstellung - der in Fig. 3c gezeigten Stellung - des Stellelements erreicht wird. Der Bypassquerschnitt bleibt verschlossen, der Düsenquer­ schnitt nimmt auf Grund des kleiner werdenden freien Innenquer­ schnitts des Stellelements kontinuierlich bis auf ein Minimum ab.

Es kann zweckmäßig sein, einen Toleranzbereich Tol vorzusehen, mit dem ein Bereich bezeichnet wird, innerhalb dem die Quer­ schnitte sowohl des Abgas-Einlasskanals als auch des Bypass im Mündungs- bzw. Abzweigungsbereich zum Düsenkanal verschlossen bleiben. Der Toleranzbereich, der um den Nullpunkt herum gelegt wird und vorteilhaft maximal 5%, insbesondere maximal 0.5% des Gesamtverstellbereichs beträgt, soll sicher stellen, dass auch bei Fertigungsungenauigkeiten oder Dehnungen in Folge Erwärmung oder Verschleiß zumindest eine Mittelstellung des Stellelemen­ tes existiert, in der sowohl der Abgas-Einlasskanal als auch der Bypass verschlossen sind.

Claims (17)

1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Ab­ gasturbolader und einer Einrichtung zur Abgasrückführung, wobei der rückgeführte Abgasmassenstrom und der durch die Turbine (3) des Abgasturboladers (2) geführte Abgasmassenstrom separat ein­ stellbar sind, wobei

• - in einem ersten Schritt der Ist-Luftmassenstrom der Ansaug­ luft bzw. eine mit dem Ist-Luftmassenstrom korrelierende Größe gemessen und durch Manipulation des durch den Abgas­ turbolader (2) geführten Abgasmassenstromes an einen zuge­ ordneten Sollwert angeglichen wird,
• - in einem zweiten Schritt der rückgeführte Abgasmassenstrom in der Weise manipuliert wird, dass das Ist-Druckverhältnis von Abgasgegendruck zu Ladedruck bzw. eine mit diesem Ist- Druckverhältnis korrelierende Größe an einen zugeordneten Sollwert angeglichen wird,
• - in einem dritten Schritt überprüft wird, ob der Ist- Luftmassenstrom bzw. eine mit dem Ist-Luftmassenstrom korre­ lierende Größe mit hinreichender Genauigkeit dem zugeordne­ ten Sollwert entspricht, und im Falle einer unzulässigen Ab­ weichung zum ersten Schritt zurückgekehrt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgasturbine (3) mit variabler Turbinengeometrie (7) eingesetzt wird, wobei der Ist-Luftmassenstrom durch Manipula­ tion der variablen Turbinengeometrie (7) eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbine (3) ein einstellbares Abblaseventil (17) aufweist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der rückgeführte Abgasmassenstrom durch Einstellung einer variablen Ejektordüse (10) im Ansaugtrakt (6), welche eine Zu­ fuhr für das rückgeführte Abgas aufweist, an den Sollwert ange­ glichen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Luftmassenstromes über einen Luftmassenmesser be­ stimmt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als mit dem Ist-Luftmassenstrom korrelierende Größe der Ladedruck gemessen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als mit dem Ist-Luftmassenstrom korrelierende Größe der Ladelufttemperatur gemessen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als mit dem Ist-Druckverhältnis von Abgasgegendruck zu La­ dedruck korrelierende Größe die Position des Stellelements (21) der Ejektordüse (10) bestimmt wird.

9. Brennkraftmaschine, insbesondere zur Durchführung des Ver­ fahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem Abgasturbo­ lader (2) und einer Einrichtung (8) zur Abgasrückführung und mit einer variablen Ejektordüse (10) im Ansaugtrakt (6), die einen Abgas-Einlasskanal (24) für eine Abgas-Rückführleitung (13) und einen Bypass (22) zu ihrem Düsenkanal (19) aufweist, wobei die Querschnitte (A_AGR, A_Düse, A_Bypass) des Abgas- Einlasskanals (24), des Düsenkanals (19) und des Bypass (22) ü­ ber ein Stellelement (21) der Ejektordüse (10) einstellbar sind, und mit einer Regel- und Steuereinheit (11) zur Erzeugung von Stellsignalen in Abhängigkeit des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsames Stellelement (21) zur Einstellung der Querschnitte (A_AGR, A_Düse, A_Bypass) des Abgas-Einlasskanals (24), des Düsenkanals (19) und des Bypass (22) der Ejektordüse (10) vorgesehen ist und dass die Querschnitte (A_AGR, A_Düse) von Abgas- Einlasskanal (24) und Düsenkanal (19) durch eine Bewegung des Stellelements (21) in unterschiedliche Stellrichtungen ein­ stellbar sind.

10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (21) in der Weise ausgebildet ist, dass in einer Position des Stellelements (21) der Abgas-Einlasskanal (24) und der Bypass (22) verschlossen sind.

11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Verstell-Toleranzbereiches des Stellele­ ments (21) sowohl der Abgas-Einlasskanal (24) als auch der By­ pass (22) verschlossen sind.

12. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Verstellung des Stellelements (21) zur Öffnung des Abgas-Einlasskanals (24) zugleich der Bypass (22) geschlos­ sen wird oder geschlossen bleibt.

13. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (21) eine den Düsenkanal (19) umgreifen­ de, axial verschiebbare Stellhülse ist.

14. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Querschnittsverhältnis von Abgas-Einlasskanal (24) zum Düsenkanal (19) maximal zehn beträgt.

15. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Querschnittsverhältnis von Bypass (22) zum Düsenkanal (19) maximal fünf beträgt.

16. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Abgasturbine (3) des Abgasturboladers (2) geführte Abgasmassenstrom variabel einstellbar ist.

17. Brennkraftmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbine (3) eine variabel einstellbare Turbinen­ geometrie (7) zur Einstellung des wirksamen Turbinenquer­ schnitts aufweist.